圖像信息獲取中的光電子技術(shù)

于海巍++趙帥

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光電子技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于人類(lèi)的生活中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軍事、醫(yī)學(xué)、通信及工業(yè)建筑等多個(gè)領(lǐng)域的涵蓋，目前，光電子技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展已進(jìn)入相對(duì)成熟的階段，并有望成為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。本文將著重從圖像獲取方面對(duì)光電子技術(shù)進(jìn)行分析研究，具有一定的參考意義。

【關(guān)鍵詞】光電子技術(shù) 圖像信息獲取 光能

光電子技術(shù)是一種由光技術(shù)與電子技術(shù)結(jié)合而成的一種復(fù)合型多功能技術(shù)。此技術(shù)涵蓋了電子學(xué)、光學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)等在內(nèi)的多項(xiàng)科學(xué)技術(shù)，是一項(xiàng)典型的多學(xué)科交叉型技術(shù)，對(duì)理論的研究乃至科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都具有十分重要的作用，且與微電機(jī)技術(shù)相比，光電子技術(shù)具有更加明顯的使用優(yōu)勢(shì)。

1 光電子技術(shù)的概述

1.1 內(nèi)容

此技術(shù)的概念十分寬泛，總體來(lái)說(shuō)是涵蓋新材料、微加工與微機(jī)電、器件與系統(tǒng)集成等一系列互動(dòng)的，建立在生產(chǎn)、傳輸、處理與接受基礎(chǔ)上的一項(xiàng)多功能技術(shù)。該技術(shù)主要研究對(duì)象是光，途徑為能量轉(zhuǎn)化，目的在于將光能轉(zhuǎn)化為信息載體與能量載體。

1.2 光電子學(xué)

關(guān)于光電子技術(shù)的學(xué)稱為光電子學(xué)，指對(duì)紅外線、可見(jiàn)光、紫外線等光波波段的研究，其教學(xué)內(nèi)容主要涉及信息技術(shù)、能源勘探與轉(zhuǎn)化、航空航天、生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。

2 光電子技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于光電子技術(shù)的運(yùn)用狀況存在明顯差異，諸如歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)該技術(shù)的投入較大，且使用工藝已逐漸成熟，而還有大部分的國(guó)家并不重視該技術(shù)的使用，原因在于一些國(guó)家可利用其他發(fā)達(dá)技術(shù)取代該技術(shù)。美國(guó)作為使用光電子技術(shù)的佼佼者，特別看重該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，對(duì)此投入的研究與費(fèi)用也是其他國(guó)家無(wú)法比擬的；德國(guó)作為使用該技術(shù)最早的國(guó)家，其研究已積累了大量的成果，技術(shù)基礎(chǔ)十分強(qiáng)大，此外，日本、瑞典等國(guó)家都曾對(duì)光電子技術(shù)展開(kāi)過(guò)深入的研究，并取得了一些經(jīng)驗(yàn)。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)光電子技術(shù)起步較晚，但由于近年來(lái)各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展促使該技術(shù)得到了很大的突破，目前以達(dá)到了世界先進(jìn)水平。在電子領(lǐng)域的各個(gè)行業(yè)，我國(guó)都取得了不錯(cuò)的成就，這主要受益于政府的大力支持與資金投入。但從個(gè)體上看，各省市間的發(fā)展情況仍存在差異，其中發(fā)達(dá)地區(qū)的高等院校眾多，可開(kāi)展的研究項(xiàng)目多，為光電子技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究提供了巨大的技術(shù)保障。

3 光電子技術(shù)在圖像信息獲取中的應(yīng)用

3.1 分幅相機(jī)

相機(jī)的工作原理是通過(guò)照相機(jī)的鏡頭組，將被攝像景物的反射光投于焦平面上，并通過(guò)對(duì)焦調(diào)節(jié)分辨率，實(shí)現(xiàn)反射光的清晰成像，通過(guò)控制快門(mén)，使焦平面的感光膠片感光，從而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在感光膠片上形成潛影。分幅相機(jī)汲取了傳統(tǒng)相機(jī)工作原理的拍攝技巧，同時(shí)融入光電子技術(shù)，使其拍攝率達(dá)到1071011幀/s，是正常相機(jī)的幾百萬(wàn)倍，其原理在于對(duì)相機(jī)的各小部件上進(jìn)行了加工，例如在不透明的小薄板上設(shè)置多個(gè)排列整齊的透光孔，并通過(guò)CCD進(jìn)行系統(tǒng)處理，對(duì)各透光孔中的像素點(diǎn)在每一時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的分布位置進(jìn)行記錄，并通過(guò)各像素點(diǎn)組合而提取出一幅完整畫(huà)面，由此形成了其高頻率的拍攝工藝。

分幅相機(jī)將傳統(tǒng)的成像二維化與時(shí)間一維化進(jìn)行改善，一定程度上打破了二維成像對(duì)人類(lèi)意識(shí)的局限，通過(guò)光電子技術(shù)形成的對(duì)光電在時(shí)間維度上的排列，從而獲取到在不同時(shí)間維度上的一系列時(shí)序照片，實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)對(duì)更高維度的解讀。

3.2 時(shí)間分辨顯微鏡

與上述的分幅相機(jī)工作原理相似，時(shí)間分辨顯微鏡同樣通過(guò)對(duì)顯微鏡呈現(xiàn)信息的變化進(jìn)行記載，并根據(jù)時(shí)間推算出其態(tài)密度函數(shù)，從而使設(shè)備能夠自行推理出該物質(zhì)的在下一階段的運(yùn)行軌跡。但由于顯微鏡的觀察對(duì)象是原子、分子一類(lèi)的微觀事物，因此其成像的分辨率單位通常保持在納米或微米。

目前，已投入使用的常見(jiàn)的時(shí)間分辨率顯微鏡有兩種，一種為熒光壽命顯微鏡，該顯微鏡主要用于研究生命科學(xué)，在時(shí)間分辨率上可達(dá)到皮秒量級(jí)，空間分辨率上可達(dá)到亞微米量級(jí)；另一種為激光核聚變的軟X射線時(shí)間分辨顯微鏡系統(tǒng)，主要用于對(duì)核聚變反應(yīng)堆的粒子動(dòng)態(tài)搜集與測(cè)量，該顯微鏡的時(shí)間分辨率可達(dá)到5ps，空間分辨力達(dá)到了100nm。

3.3 功能成像技術(shù)

此技術(shù)可分為宏觀成像與微觀成像，通常用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。宏觀成像可對(duì)人體的內(nèi)部器官的新陳代謝的信息成像，通常分辨率以納米為單位，微觀成像可對(duì)人體細(xì)胞及細(xì)胞內(nèi)的情況形成直觀圖像，單位通常為微米或亞微米。

在宏觀功能成像技術(shù)中，最具有代表性的要屬PET屬光電子技術(shù)，該技術(shù)利用半衰期短、可發(fā)射正電子以及可支撐示蹤劑的放射性元素組成，有三項(xiàng)物質(zhì)的作用產(chǎn)生的正電子及鄰近電子覆滅而產(chǎn)生的相向而行的兩個(gè)511keV的光子來(lái)反應(yīng)代謝的各種過(guò)程。其中代謝信息不同，可使用不同的示蹤劑，例如一氧化碳、二氧化碳、氨基酸、氧化亞氮等，都可作為示蹤劑使用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腦出血、中風(fēng)、癲癇、心肌梗塞等病癥中蛋白質(zhì)代謝、糖代謝等信息的直觀成像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)患者病情的了解。此外，光電子技術(shù)在HIV病毒檢測(cè)中也發(fā)揮著重要的作用，通過(guò)對(duì)自動(dòng)化基因順序測(cè)定器、掃描激光熒光劑導(dǎo)尿管技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)血液中HIV病毒的檢測(cè)，對(duì)于艾滋病的治療工作具有十分重大的意義。

而微觀成像中，最具有代表性的則是CT技術(shù)，通過(guò)紅外光穿透人體大腦，實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦內(nèi)部的成像。例如：多光子顯微CT技術(shù)，通過(guò)對(duì)多光子效應(yīng)產(chǎn)生的熒光反應(yīng)對(duì)成像進(jìn)行分析，加上三維亞微米所呈現(xiàn)出的圖像，使CT膠片的成像更加具體化，不僅能夠呈現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)與其他元素間的作用信息，還能夠推測(cè)出其下一階段的運(yùn)動(dòng)路徑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)病狀的全面分析。目前，激光與探測(cè)技術(shù)均已成熟，且各項(xiàng)光電子醫(yī)學(xué)設(shè)備及診斷工具均已得到改善，一定程度上促進(jìn)了我國(guó)醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，光電子在圖像信息獲取方面的運(yùn)用廣泛，無(wú)論在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，還是軍事、通信及工業(yè)領(lǐng)域，都能夠發(fā)揮作用，且可與多項(xiàng)技術(shù)的混合使用，加快了我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展步伐，與此同時(shí)，國(guó)家應(yīng)當(dāng)更加重視對(duì)光電子技術(shù)的研用，使其能夠投入各個(gè)領(lǐng)域的建設(shè)當(dāng)中，為我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展提供可靠的保障。

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作者簡(jiǎn)介

于海?。?990-），女，天津市人。大學(xué)本科學(xué)歷。助理工程師。光電子信息工程。

作者單位

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司光電研究院 天津市 300000endprint